EP2920599A1 - Prüfanordnung für einen energiespeicher - Google Patents

Prüfanordnung für einen energiespeicher

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EP2920599A1
EP2920599A1 EP13792634.1A EP13792634A EP2920599A1 EP 2920599 A1 EP2920599 A1 EP 2920599A1 EP 13792634 A EP13792634 A EP 13792634A EP 2920599 A1 EP2920599 A1 EP 2920599A1
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EP
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converter
energy storage
cell
outputs
module
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Gottfried SCHIPFER
Günter PROCHART
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AVL List GmbH
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Publication date
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/364—Battery terminal connectors with integrated measuring arrangements
    • G—PHYSICS
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    • G01R31/396—Acquisition or processing of data for testing or for monitoring individual cells or groups of cells within a battery
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0019—Circuits for equalisation of charge between batteries using switched or multiplexed charge circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the subject invention relates to a test arrangement for an energy storage device having at least one energy storage module with a plurality of energy storage units, with an AC-DC converter on the input side is connected to a voltage supply, and the use of such a test arrangement in a test and Formiersystem.
  • a switching converter for testing batteries shows e.g. WO 97/07385 A2, in which a number of bidirectional DC / DC converters are connected to an AC / DC converter.
  • the AC-DC converter is connected on the output side to at least one bidirectional isolated DC-DC converter, wherein the output of the bidirectional DC-DC-DC converter is connected to a plurality of parallel-connected DC-DC converters and the outputs of the cell-to-dc-to-dc converters are routed outside the output of the tester.
  • the efficiency of a converter is known to be better with higher power and higher voltage.
  • the AC-to-DC converter has an efficiency of ⁇ 92%
  • the module-DC-DC converter an efficiency of -85%
  • the cell-DC DC converter an efficiency of -75%. Therefore, it is attempted to provide the energy for testing and emulation whenever possible with the highest converter stage (AC-to-DC converter), which is possible due to the present design.
  • AC-to-DC converter For many test cases, especially when used as a test and emulation system for batteries, all energy storage units (eg the battery cells) are tested for a long time with the same target size.
  • an energy storage unit of the energy storage module is connected to an output of a cell DC-DC converter.
  • the energy storage unit can be acted upon at the level of the cell-DC-DC converter with a predetermined charging current.
  • the test arrangement can also be contacted at the module level, for example as an input for a battery management system or to test or formulate individual energy storage modules as a whole. If the output of the AC-to-DC converter is routed to the outside via a switch as the output of the test arrangement, the test arrangement can also be contacted at the energy storage level, for example as input for a battery management system or to test or formulate individual energy stores as a whole.
  • the flexibility of the test arrangement can be further increased if the outputs of several DC / DC converters can be connected in series via switches and / or if the outputs of the series-connected DC / DC converters are led out through a switch as outputs of the test arrangement are.
  • Figures 2 and 3 show the use of the test arrangement for testing or forming battery cells.
  • the inventive test arrangement 1 for electrical energy storage consists of a bidirectional input-side AC-DC converter 2, which can be connected via an input terminal 4 with a power supply 3, for example a 400VAC voltage source.
  • the DC output of the AC-DC converter 2 for example a 400VDC output, in parallel, a number of (at least one) module DC-DC converter connected 5i ... 5 n.
  • the module-DC-DC converters 5i ... 5 n are designed as commercially available bidirectional, insulated DC-DC converters.
  • the high-voltage DC output of the AC-DC converter 2 into a DC voltage that corresponds to the voltage range of an energy storage module, such as a battery module or a fuel cell module, consisting of a plurality of Energy storage units, such as battery cells or fuel cells, corresponds, for example, 12V or 48V DC.
  • the outputs of the module-DC-DC converter 5i ... 5 n can also be connected in series via switch SM, which is possible because the module-DC-DC converters 5i ... 5 n are designed as isolated DC-DC converters.
  • a number of (at least one) cell-to-DC-DC converters 6n ... 6 nm are connected in parallel.
  • the cell-DC-DC converters 611 ... 6 nm are designed as commercially available, insulated DC-DC converters.
  • the cell-DC-DC converter Q ... 6 nm can also be designed as a bidirectional DC-DC converter.
  • the cell-to-DC-DC converter 6n ... 6 nm convert the DC output of the associated module DC-DC converter 5i ... 5 n in a DC voltage, the voltage range of the energy storage unit of an energy storage module, eg 0.5V to 5 , 5V DC at battery cells of a battery module.
  • the outputs of the cell-DC-DC converters 611 ... 6 nm can also be connected in series via switches SZ, which is possible because the cell-DC-DC converters 6n ... 6 nm are designed as isolated DC-DC converters
  • the outputs A E +, A E- of the AC-DC converter 2 on energy storage module level, the outputs A M i +, A M I- ... A Mn +, A Mn - the module DC current at energy storage level DC-DC converter 5i ... 5 n and the outputs A 1+ , Ai. ... A x + , A x- the cell-DC-DC converters 611 ... 6 nm outwards and can be electrically contacted.
  • the outputs A E +, A E- of the AC-DC converter 2 can be activated via switch S1.
  • the outputs A M i + , A M i - ... A Mn +, A Mn - the module-DC-DC converters 5i ... 5 n can be activated by switch S2.
  • the outputs A Z1 + , A Z1 - ... A Zx + , A Zx - of the series-connectable cell-to-DC-DC converters 6i m ... 6 nm , so essentially the first and the last output of the series-connected cell DC - DC-DC converter 6n ... 6 nm can be activated by switch S3.
  • a test arrangement 1 has, for example, an AC-to-DC converter 2, to which eight DC-DC converters 5i ... 5 8 are connected, to each of which twelve DC-DC converters 6n ... 6 8 12 are connected. Consequently, up to 96 energy storage units or 8 energy storage modules with 12 energy storage units each can be tested or formed. Of course, other expansion stages are conceivable.
  • the AC-DC converter 2, the module-DC-DC converter 5i ... 5 n and the cell-DC-DC converter 6n ... 6 nm are thereby by a control unit 10, which may also be integrated in the test arrangement 1, the requirements according driven. Likewise, the control unit 10 can open / close the switches S1, S2, S3, SM, SZ control.
  • the control lines 20 from the control unit 10 to the individual components of the test arrangement 1 are not shown in FIG. 1 for reasons of clarity or merely indicated.
  • test arrangement 1 The function of the test arrangement 1 according to the invention will be described in more detail below with reference to a concrete exemplary embodiment in the form of a test and shaping system for an electrical energy store.
  • the test arrangement 1 is connected to a battery pack 7 consisting of n battery modules 81... 8 n for each m battery cells 9n... 9 nm in order to test or form the battery pack 7. Every battery cell d'i 'i. , , 9 nm is connected to the output A 1+ , Ai. ... A x + , A x- of a cell-to-DC-DC converter 6n ... 6 nm the
  • Test arrangement 1 connected.
  • the battery modules 81 ... 8 n are not connected in series here, but each module DC-DC converter 5i ... 5 8 is connected to a respective battery module 81 ... 8 n .
  • the switches S2 are closed and the connection between the module-DC-DC converter 5i ... 5 8 opened by the switch SM.
  • This allows each battery cell Q. , , 9 nm of any (within the voltage and current capacity of the cell-DC-DC converter 611 ... 6 nm ) load current (charge / discharge current) are given and individual battery cells d'i 'i. , , 9 nm can be charged or discharged differently.
  • a battery pack 7, individual battery modules 8 or individual battery cells 9 are tested.
  • Each battery cell 9 or each battery module 8 can also be connected to a well-known battery management system 1 1 (BMS).
  • BMS battery management system 1 1
  • the battery management system 11 may also be connected to the control unit 10 in order to be able to detect and process actual values of the cells or of the modules.
  • unidirectional DC-to-DC converters Qu. , , 6 nm can only be discharged to energy storage module level, as described with reference to the module DC-DC converter 5 n in Figure 2.
  • the switches SZ and the switches S2, S3 are closed, whereby the outputs of the cell-DC-DC converter 6 n i ... 6 nm are connected in series and via the outputs A zx + , A Zx - are connected to the outputs A Mn +, A Mn - of the module-to-DC-DC converter 5 n .
  • the module-DC-DC converter 5 n now sets a discharge current to the battery cells 9 n i. , , 9 nm and the cell DC-DC converter 6 n i. , , 6 nm are switched inactive.
  • , 9 nm are all discharged with the same discharge current. If a single (or more) battery cell 9 n i. , , 9 nm should not be discharged, the discharge current of the module-DC-DC converter 5 n by the associated cell-DC-DC converter 6 n i. .. 6 nm can be compensated by this generates a counter-charge current, which is applied to the battery cells 9 n i. .. 9 nm works.
  • the current of a module-to-DC-DC converter 5i ... 5 n can be superimposed by any current of a cell-DC-DC converter 6n ... 6 nm , whereby the current of the module-DC-DC converter 5i ... 5 n can also be amplified on energy storage unit level.
  • the battery cells 9n ... 9 nm can thereby via switches SB-H ... 9n SB nm between the serially connected battery cells ... to-9 nm individually or paths are switched.
  • the switches SBn ... SB nm can also be controlled by the control unit 10. If a cell-DC-DC converter Q ... 6 nm is designed as a bidirectional DC-DC converter, it can also be discharged to energy storage unit (battery cell).
  • FIG. 3 shows the use of the testing arrangement 1 in a test system with a battery pack 7 (energy storage) of four battery modules 81 ... 8 4 (power storage module) to four, through the switches SB-H ... SB 44 connected respectively in series Battery cells 9n ... 9 44 (energy storage units).
  • the individual battery modules 81 ... 8 4 are connected in series via switch SM.
  • the switches S1 are closed at the energy storage level and the switches S2 are opened at the energy storage module level.
  • the AC-DC converter 2 is designed in two stages, with an input-side AC to DC converter 21 and a DC-DC converter 22 connected thereto.

Abstract

Für eine effiziente, kostengünstige und gleichzeitig flexibel einzusetzende bzw. konfigurierbare Prüfanordnung für Energiespeicher aus mehreren Energiespeichermodulen zu jeweils mehreren Energiespeichereinheiten ist vorgeschlagen, einen Wechselstrom-Gleichstrom-wandler (2) ausgangsseitig mit zumindest einem bidirektionalen isolierten Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler (51...5n) zu verbinden, wobei der Ausgang des bidirektionalen isolierten Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandlers (51...5n) mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandlern (611...6nm) verbunden ist und die Ausgänge der Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler (611...6nm) als Ausgänge (A1+, A1-...Ax+, Ax-) der Prüfanordnung (1) nach außen geführt sind.

Description

Prüfanordnung für einen Energiespeicher
Die gegenständliche Erfindung betrifft eine Prüfanordnung für einen Energiespeicher mit zumindest einem Energiespeichermodul mit einer Mehrzahl von Energiespeichereinheiten, mit einem Wechselstrom-Gleichstromwandler der eingangsseitig mit einer Spannungsver- sorgung verbunden ist, sowie die Verwendung einer solchen Prüfanordnung in einem Test- und Formiersystem.
Aktuelle Zelltester arbeiten großteils mit ineffizienten linearen Lagereglern und setzen die gesamte Entladeenergie in Wärme um. Dadurch entstehen hohe Kosten für leistungsfähige Kühlsysteme und hohe Energiekosten bei der Produktion und dem Testen von Batterien, z.B. für Formierung, Qualitätsprüfung, Langzeittests, Emulation, etc.
Vereinzelt werden auch rückspeisefähige Schaltwandler für Zelltester eingesetzt, diese sind aufwendig, teuer und weisen einen schlechten Wirkungsgrad auf, da diese ein sehr hohes Spannungsverhältnis abbilden müssen, z.B. von 3V auf 400V hochsetzen. Einen Schaltwandler zum Testen von Batterien zeigt z.B. die WO 97/07385 A2, in der eine Anzahl bidi- rektionaler DC/DC-Konverter an einen AC/DC-Konverter angeschlossen sind.
Es ist eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, eine effiziente, kostengünstige und gleichzeitig flexibel einzusetzende bzw. konfigurierbare Prüfanordnung anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem der Wechselstrom-Gleichstromwandler ausgangsseitig mit zumindest einem bidirektionalen isolierten Modul-Gleichstrom- Gleichstromwandler verbunden ist, wobei der Ausgang des bidirektionalen isolierten Modul- Gleichstrom-Gleichstromwandlers mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandlern verbunden ist und die Ausgänge der Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler als Ausgang der Prüfanordnung nach außen geführt sind. Durch diesen hierarchischen Aufbau der Prüfanordnung mittels isolierter Gleichstrom-Gleichstromwandler kann die Prüfanordnung äußerst flexibel konfiguriert werden, insbesondere sind damit unterschiedlichste Ausbaustufen möglich. Von einzelnen Energiespeichereinheiten bis zu einzelnen Energiespeichermodule und ganze Energiespeicher können damit getestet und formiert werden, ohne den internen Aufbau der Prüfanordnung ändern zu müssen. Die Änderung der Konfiguration kann dabei sehr einfach über steuerbare Schalter erfolgen. Grundsätzlich ist die Effizienz eines Wandlers bekanntermaßen mit höherer Leistung und mit höherer Spannungslage besser. Im vorliegenden hierarchischen Aufbau der Prüfanordnung hat der Wechselstrom-Gleichstromwandler einem Wirkungsgrad von ~ 92%, die Modul- Gleichstrom-Gleichstromwandler einen Wirkungsgrad von -85% und die Zell-Gleichstrom- Gleichstromwandler einen Wirkungsgrad von -75%. Daher wird versucht, die Energie für das Testen und Emulieren wann immer es möglich ist mit der höchsten Wandler Stufe (Wechselstrom-Gleichstromwandler) zur Verfügung zu stellen, was aufgrund des vorliegenden Aufbaus möglich ist. Für viele Testfälle, insbesondere bei Anwendung als Test- und Emulations- system für Batterien, werden alle Energiespeichereinheiten (z.B. die Batteriezellen) über lange Zeit mit der gleichen Sollgröße getestet. Z.B. können bei einem Ladezyklus sämtliche Energiespeichereinheiten fast die ganzen CC-Phase (constant current) über von der höchsten Wandler Stufe (Wechselstrom-Gleichstromwandler) versorgt werden. Erst beim Übergang in die CV-Phase (constant voltage) müssen die Modul-, bzw. Zell Gleichstrom- Gleichstromwandler eingreifen. Damit ergibt sich ein Wirkungsgrad Vorteil von -92-75% = 17% für üblicherweise mehr als 50% der Testzeit. Daher erlaubt die erfindungsgemäße Prüfanordnung auch mit bestmöglichem Wirkungsgrad arbeiten zu können.
Zum Testen oder Formieren wird einfach eine Energiespeichereinheit des Energiespeichermoduls mit einem Ausgang eines Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandlers verbunden. Damit kann die Energiespeichereinheit auf Ebene des Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandlers mit einem vorgebbaren Ladestrom beaufschlagt werden.
Wenn die Ausgänge eines Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandlers mit den seriell verschalteten Ausgängen der zugehörigen in Serie geschalteten Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler verbunden sind, kann auch bei Verwendung von unidirektionalen Zell-Gleichstrom- Gleichstromwandlern entladen werden. Dazu können alle Energiespeichereinheiten entladen werden, indem alle Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler inaktiv geschaltet werden. Es können aber auch einzelne Energiespeichereinheiten mit einem beliebigen Laststrom beaufschlagt werden, indem der Strom des zugehörigen Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandlers durch einen Strom des Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandlers überlagert wird. Größere Energiespeicher lassen sich testen und formieren, wenn mehrere Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler parallel an den Ausgang des Wechselstrom-Gleichstromwandlers angeschlossen sind und jeder Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandlern verbunden ist. Damit lassen sich beliebige Ausbaustufen und Konfigurationen eines Energiespeichers testen und formie- ren, was die Flexibilität der Prüfanordnung erhöht.
Wenn die Ausgänge der Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler über Schalter in Serie ver- schaltbar sind, können auch Energiespeicher, die aus mehreren miteinander verschalteten Energiespeichermodulen bestehen, als Ganzes mit hohem Wirkungsgrad getestet oder formiert werden. Durch Herausführen der Ausgänge der Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler über einen Schalter, kann die Prüfanordnung auch auf Modulebene kontaktiert werden, z.B. als Eingang für ein Batteriemanagementsystem oder um einzelne Energiespeichermodule als Ganzes zu testen oder zu formieren. Wenn der Ausgang des Wechselstrom-Gleichstromwandlers über einen Schalter als Ausgang der Prüfanordnung nach außen geführt ist, kann die Prüfanordnung auch auf Energiespeicherebene kontaktiert werden, z.B. als Eingang für ein Batteriemanagementsystem oder um einzelne Energiespeicher als Ganzes zu testen oder zu formieren.
Die Flexibilität der Prüfanordnung kann weiter gesteigert werden, wenn die Ausgänge meh- rerer Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler über Schalter in Serie verschaltbar sind und/oder die Ausgänge der in Serie geschalteten Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler über einen Schalter als Ausgänge der Prüfanordnung nach außen geführt sind.
Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestal- tungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt
Fig.1 eine erfindungsgemäße Prüfanordnung und
Fig.2 und 3 die Verwendung der Prüfanordnung zum Testen oder Formieren von Batteriezellen.
Die erfindungsgemäße Prüfanordnung 1 für elektrische Energiespeicher besteht aus einem bidirektionalen eingangsseitigen Wechselstrom-Gleichstromwandler 2, der über einen Ein- gangsanschluss 4 mit einer Spannungsversorgung 3, z.B. eine 400VAC Spannungsquelle, verbunden werden kann. Am Gleichstromausgang des Wechselstrom-Gleichstromwandlers 2, z.B. ein 400VDC Ausgang, sind parallel eine Anzahl von (zumindest ein) Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler 5i ... 5n angeschlossen. Die Modul-Gleichstrom-Gleichstrom- wandler 5i ... 5n sind als kommerziell erhältliche bidirektionale, isolierte Gleichstrom-Gleichstromwandler ausgeführt. Die Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler 5i ... 5n wandeln den Hochvolt-DC-Ausgang des Wechselstrom-Gleichstromwandlers 2 in eine DC-Spannung um, die dem Spannungsbereich eines Energiespeichermoduls, wie z.B. ein Batteriemodul oder ein Brennstoffzellenmodul, bestehend aus einer Mehrzahl von Energiespeichereinheiten, wie z.B. Batteriezellen oder Brennstoffzellen, entspricht, z.B. 12V oder 48V DC. Die Ausgänge der Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler 5i ... 5n können über Schalter SM auch in Serie geschaltet werden, was deshalb möglich ist, weil die Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler 5i ... 5n als isolierte Gleichstrom-Gleichstromwandler ausgeführt sind. Am Ausgang eines Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandlers 5i ... 5n sind parallel eine Anzahl von (zumindest ein) Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler 6n ... 6nm angeschlossen. Die Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler 611 ... 6nm sind als kommerziell erhältliche, isolierte Gleichstrom-Gleichstromwandler ausgeführt. Die Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler Q ... 6nm können dabei aber auch als bidirektionale Gleichstrom-Gleichstromwandler ausgeführt sein. Die Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler 6n ... 6nm wandeln den DC-Ausgang des zugehörigen Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandlers 5i ... 5n in eine DC-Spannung, die dem Spannungsbereich der Energiespeichereinheit eines Energiespeichermoduls, z.B. 0,5V bis 5,5V DC bei Batteriezellen eines Batteriemoduls. Die Ausgänge der Zell-Gleichstrom- Gleichstromwandler 611 ... 6nm können über Schalter SZ auch in Serie geschaltet werden, was deshalb möglich ist, weil die Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler 6n ... 6nm als isolierte Gleichstrom-Gleichstromwandler ausgeführt sind
Als Ausgänge der Prüfanordnung 1 können auf Energiespeicherebene die Ausgänge AE+, AE- des Wechselstrom-Gleichstromwandlers 2, auf Energiespeichermodulebene die Ausgänge AMi+, AMI- ... AMn+, AMn- der Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler 5i ... 5n und die Ausgänge A1+, A-i. ... Ax+, Ax- der Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler 611 ... 6nm nach außen geführt sein und können elektrisch kontaktiert werden. Ebenso sind bevorzugt jeweils der erste und der letzte Ausgang AZ1+, AZi- ... AZx+, AZx- der in Serie schaltbaren Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler 611 ... 6nm! wie in Fig.1 dargestellt, nach außen geführt. Die Ausgänge AE+, AE- der Wechselstrom-Gleichstromwandlers 2 können über Schalter S1 aktiviert werden. Die Ausgänge AMi+, AMi- ... AMn+, AMn- der Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler 5i ... 5n können durch Schalter S2 aktiviert werden. Die Ausgänge AZ1+, AZ1- ... AZx+, AZx- der in Serie schaltbaren Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler 6im ... 6nm, also im Wesentlichen der erste und der letzte Ausgang der in Serie geschalteten Zell-Gleichstrom- Gleichstromwandler 6n ... 6nm, können durch Schalter S3 aktiviert werden.
Im Vollausbau hat eine erfindungsgemäße Prüfanordnung 1 z.B. einen Wechselstrom- Gleichstromwandler 2, an dem acht Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler 5i ... 58 angeschlossen sind, an denen jeweils zwölf Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler 6n ... 6812 angeschlossen sind. Damit können folglich bis zu 96 Energiespeichereinheiten oder 8 Energie- speichermodule zu je 12 Energiespeichereinheiten geprüft bzw. formiert werden. Selbstverständlich sind auch andere Ausbaustufen denkbar.
Der Wechselstrom-Gleichstromwandler 2, die Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler 5i ... 5n und die Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler 6n ... 6nm werden dabei von einer Steuereinheit 10, die auch in der Prüfanordnung 1 integriert sein kann, den Anforderungen gemäß angesteuert. Ebenso kann die Steuereinheit 10 das Öffnen / Schließen der Schalter S1 , S2, S3, SM, SZ steuern. Die Steuerleitungen 20 von der Steuereinheit 10 zu den einzelnen Komponenten der Prüfanordnung 1 sind in der Fig.1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet bzw. nur angedeutet.
Die Funktion der erfindungsgemäßen Prüfanordnung 1 wird nachfolgend anhand eines kon- kreten Ausführungsbeispiels in Form eines Test- und Formiersystems für einen elektrischen Energiespeicher näher beschrieben.
Im Beispiel nach Fig.2 wird die erfindungsgemäße Prüfanordnung 1 an ein Batteriepack 7 bestehend aus n Batteriemodulen 81 ... 8n zu je m Batteriezellen 9n ... 9nm angeschlossen, um das Batteriepack 7 zu testen oder zu formieren. Jede Batteriezelle d'i 'i . . . 9nm ist mit dem Ausgang A1+, A-i. ... Ax+, Ax- eines Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandlers 6n ... 6nm der
Prüfanordnung 1 verbunden. Die Batteriemodule 81 ... 8n sind hier nicht in Serie geschaltet, sondern jeder Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler 5i ... 58 ist an jeweils ein Batteriemodul 81 ... 8n angeschlossen. Dazu sind die Schalter S2 geschlossen und die Verbindung zwischen den Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler 5i ... 58 durch den Schalter SM geöffnet. Damit kann jeder Batteriezelle Q . . . 9nm ein beliebiger (innerhalb der Spannungs- und Stromkapazität der Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler 611 ... 6nm) Laststrom (Lade- /Entladestrom) vorgegeben werden und einzelne Batteriezellen d'i 'i . . . 9nm können unterschiedlich geladen oder entladen werden. Damit kann ein Batteriepack 7, einzelne Batteriemodule 8 oder auch einzelne Batteriezellen 9 getestet werden. Anstelle eines Batterie- packs bzw. von Batteriemodulen können auch andere Energiespeichermodule oder Energiespeicherzellen getestet werden. Jede Batteriezelle 9 bzw. jeder Batteriemodul 8 kann auch mit einem hinlänglich bekannten Batteriemanagementsystem 1 1 (BMS) verbunden sein. Das Batteriemanagementsystem 1 1 kann auch mit der Steuereinheit 10 verbunden sein, um Istwerte der Zellen bzw. der Module erfassen und verarbeiten zu können. Bei Verwendung von unidirektionalen Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler Qu . . . 6nm kann nur auf Energiespeichermodulebene entladen werden, wie anhand des Modul-Gleichstrom- Gleichstromwandlers 5n in Fig.2 beschrieben wird. Zum Entladen der Batteriezellen 9ni . . . 9nm! die an den Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandlern 6ni . . . 6nm des Modul-Gleichstrom- Gleichstromwandlers 5n angeschlossen sind, werden die Schalter SZ und die Schalter S2, S3 geschlossen, womit die Ausgänge der Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler 6ni ... 6nm in Serie geschaltet sind und über die Ausgänge Azx+, AZx- mit den Ausgängen AMn+, AMn- des Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandlers 5n verbunden sind. Der Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler 5n legt nun einen Entladestrom an die Batteriezellen 9ni . . . 9nm an und die Zell- Gleichstrom-Gleichstromwandler 6ni . . . 6nm werden inaktiv geschaltet. Damit werden die Batteriezellen 9ni . . . 9nm allesamt mit denselben Entladestrom entladen. Wenn eine einzelne (oder mehrere) Batteriezelle 9ni . . . 9nm nicht entladen werden soll, kann der Entladestrom des Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandlers 5n durch den zugehörigen Zell-Gleichstrom- Gleichstromwandler 6ni . .. 6nm kompensiert werden, indem dieser einen gegengleichen Ladestrom erzeugt, der auf die Batteriezellen 9ni . .. 9nm wirkt.
Durch das Zusammenspiel von Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler 6n ... 6nm und dem dazugehörigen Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler 5n kann in der oben angeführten Weise jede einzelnen Batteriezelle 9ni . .. 9nm mit einem beliebigen Laststrom getestet oder fromiert werden. Insbesondere kann der Strom eines Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler 5i ... 5n durch einen beliebigen Strom eines Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler 6n ... 6nm überlagert werden, womit der Strom des Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler 5i ... 5n auf Energiespeichereinheitenebene auch verstärkt werden kann.
Bei offenen Schaltern S1 , S2, S3, SZ und SM liegen an den Ausgängen A1+, A^. ... Ax+, Ax- und Az1+, Az1- ... Azx+, Azx- der Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler 6n ... 6nm und den Ausgängen AMi+, AMI- ... AMn+, AMn-der Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler 5i ... 5n nur Spannungen an, die unterhalb der Schutzkleinspannung liegen, womit hier gänzlich auf Schutz gegen Berühren verzichtet werden kann. Das ist insbesondere interessant beim Formieren von Energiespeichern.
Die Batteriezellen 9n ... 9nm können dabei über Schalter SB-H ... SBnm zwischen den seriell verschalteten Batteriezellen 9n ... 9nm auch einzeln zu- oder wegeschaltet werden. Die Schalter SBn ... SBnm können dabei auch von der Steuereinheit 10 gesteuert werden. Wenn ein Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler Q ... 6nm als bidirektionaler Gleichstrom- Gleichstromwandler ausgeführt ist, kann damit auch auf Energiespeichereinheit (Batteriezelle) entladen werden.
Fig.3 zeigt die Verwendung der Prüfanordnung 1 in einem Testsystem mit einem Batteriepack 7 (Energiespeicher) aus vier Batteriemodulen 81 ... 84 (Energiespeichermodule) zu je vier, über die Schalter SB-H ... SB44 jeweils in Serie geschalteten Batteriezellen 9n ... 944 (Energiespeichereinheiten). Die einzelnen Batteriemodule 81 ... 84 sind über Schalter SM in Serie geschaltet. Dazu sind die Schalter S1 auf Energiespeicherebene geschlossen und die Schalter S2 auf Energiespeichermodulebene geöffnet. Der Wechselstrom-Gleichstromwandlers 2 ist hier zweistufig ausgeführt, mit einem eingangsseitigen Wechselstrom- Gleichstromwandler 21 und einen damit verbundenen Gleichstrom-Gleichstromwandler 22.

Claims

Patentansprüche
1 . Prüfanordnung für einen Energiespeicher mit zumindest einem Energiespeichermodul mit einer Mehrzahl von Energiespeichereinheiten, mit einem Wechselstrom-Gleichstrom- wandler (2) der eingangsseitig mit einer Spannungsversorgung (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstrom-Gleichstromwandler (2) ausgangsseitig mit zumindest einem bidirektionalen isolierten Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler (5i ... 5n) verbunden ist, wobei der Ausgang des bidirektionalen isolierten Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandlers (5i ... 5n) mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten Zell-Gleichstrom- Gleichstromwandlern (6n ... 6nm) verbunden ist und die Ausgänge der Zell-Gleichstrom- Gleichstromwandler (611 ... 6nm) als Ausgänge (A1+, A-\. ... Ax+, Ax-) der Prüfanordnung (1 ) nach außen geführt sind.
2. Prüfanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Modul- Gleichstrom-Gleichstromwandler (5i ... 5n) parallel an den Ausgang des Wechselstrom- Gleichstromwandlers (2) angeschlossen sind und jeder Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler (5i ... 5n) mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandlern (611 ... 6nm) verbunden ist.
3. Prüfanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge der Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler (5i ... 5n) über Schalter (SM) in Serie verschaltbar sind.
4. Prüfanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge der Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandler (5i ... 5n) über einen Schalter (S2) als Ausgänge (AMi+, AMI- ... AMn+, AMn-) der Prüfanordnung (1 ) nach außen geführt sind.
5. Prüfanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge meh- rerer Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler (6n ... 6nm) über Schalter (SZ) in Serie verschaltbar sind.
6. Prüfanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge der in Serie geschalteten Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler (6n ... 6nm) über einen Schalter (S3) als Ausgänge (AZ1+, AZi- ... AZx+, AZx-) der Prüfanordnung (1 ) nach außen geführt ist.
7. Prüfanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge des Wechselstrom-Gleichstromwandlers (2) über einen Schalter (S1 ) als Ausgänge (AE+, AE-) der Prüfanordnung (1 ) nach außen geführt sind.
8. Verwendung der Prüfanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Testen oder Formieren eines Energiespeichers bestehend aus zumindest einem Energiespeichermodul mit zumindest einer Energiespeichereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Energiespeichereinheit des Energiespeichermoduls mit einem Ausgang (A1+, A-i. ... Ax+, Ax-) eines Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandlers (6n ... 6nm) verbunden ist.
9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Energiespeichereinheiten des Energiespeichers in Serie geschaltet sind und jede Energiespeichereinheit mit einem Ausgang (A1+, A-i. ... Ax+, Ax-) eines Zell-Gleichstrom- Gleichstromwandlers (611 ... 6nm) verbunden ist.
10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Energiespeichereinheiten über einen Schalter (SB-H . .. SBNM) miteinander verbunden sind.
1 1 . Verwendung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Energiespeichermodule in Serie geschaltet sind.
12. Verwendung nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge (AMi+, AMi- ... AMn+, AMn-) eines Modul-Gleichstrom-Gleichstromwandlers (5i ... 5n) mit den seriell verschalteten Ausgängen (AZ1+, AZi- ... AZx+, AZx-) der zugehörigen in Serie geschalteten Zell-Gleichstrom-Gleichstromwandler (6n ... 6nm) verbunden sind.
13. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zell-Gleichstrom- Gleichstromwandler (611 ... 6nm) inaktiv geschaltet sind.
14. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zell- Gleichstrom-Gleichstromwandler (611 ... 6nm) einen Laststrom erzeugt.
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